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XX大學(xué)
本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
題 目 年產(chǎn)5000噸硫酸銅的工藝設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
專業(yè)名稱 化學(xué)工程與工藝
指導(dǎo)教師
20xx 年 5 月 27 日
目錄
摘 要 1
Abstracts 1
1.概 述 2
1.1硫酸銅的性質(zhì) 2
1.2硫酸銅的用途及發(fā)展前景 2
1.3堿式碳酸銅 3
1.4硫酸銅的制備方法簡介 3
1.4.1利用氧化銅礦制硫酸銅 4
1.4.2 酸浸出法 4
1. 4. 3 酸浸直接法 5
1. 4. 4 酸浸轉(zhuǎn)化法 5
1.4.5 氨浸出法 5
1.4.6 溶銅沉鐵酸浸-化學(xué)濃縮法 6
1.4.7 酸浸-萃取法 6
1.5硫酸銅的包裝貯運(yùn) 7
2. 除鐵法 7
2.1 黃銨鐵礬法除鐵 7
2.2 氫氧化鐵沉淀除鐵法 8
2.3 一步結(jié)晶除鐵法 8
3. 設(shè)備及工藝介紹 9
3.1顎式破碎機(jī) 9
3.2雷蒙磨 9
3.3工藝流程圖 10
4．工藝計(jì)算 11
4．1物料衡算 11
4. 1. 1 每天所需生產(chǎn)硫酸銅的質(zhì)量 11
4. 1. 2 每天所需處理的堿式碳酸銅礦中含Cu2(OH)2CO3的質(zhì)量 11
4. 1. 3 每天所需處理的廢渣的質(zhì)量 11
4. 1. 4 每天所需處理的堿式碳酸銅礦的總質(zhì)量 12
4. 1. 5 每天需要的硫酸量........................................................................................ 12
5．浸出反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)計(jì)算 12
5. 1計(jì)算完全反應(yīng)后反應(yīng)釜中CuSO4溶液的質(zhì)量 12
5. 2 反應(yīng)釜的個數(shù) 13
5. 3 每次每釜處理堿式碳酸銅礦的量 13
5. 4 工藝流程中所需反應(yīng)釜的個數(shù) 14
6. 反應(yīng)釜釜體設(shè)計(jì) 14
6. 1 確定筒體和封頭型式 14
6. 2 確定筒體和封頭直徑 14
6. 3 確定夾套直徑 15
6. 4 確定夾套高度 15
7．反應(yīng)釜攪拌器的型式 15
7. 1 槳式槳葉攪拌器 15
7. 2 框式和錨式攪拌器 16
7. 3 推進(jìn)式攪拌器 16
7. 4 渦輪式攪拌器 16
7. 5 攪拌器的選型 16
8．設(shè)計(jì)結(jié)果 16
結(jié)束語 17
參考文獻(xiàn) 18
致 謝 19
年產(chǎn)5000噸硫酸銅工藝設(shè)計(jì)
——浸出反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)
摘 要:硫酸銅是一種很重要的無機(jī)化工原料，在紡染、電鍍、醫(yī)藥等方面都有很大的用途。本文論述了硫酸銅的生產(chǎn)工藝的發(fā)展概況、用途及產(chǎn)品市場分析，大致介紹了在工業(yè)上生產(chǎn)硫酸銅常用的除鐵方法，主要探索了年產(chǎn)五千噸硫酸銅的工藝設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中采用含銅量為20.02%的堿式碳酸銅礦為原料來生產(chǎn)硫酸銅。著重描述浸出工序中的反應(yīng)釜的工藝設(shè)計(jì)，通過控制條件制得純度較高的硫酸銅飽和溶液，再經(jīng)過結(jié)晶工序得到產(chǎn)品。在浸出工序中控制溫度在90℃以上，采用間歇操作的方法制得硫酸銅飽和溶液。通過物料衡算，進(jìn)行設(shè)備選型及浸出反應(yīng)釜工藝尺寸的計(jì)算，設(shè)計(jì)出符合要求的浸出反應(yīng)釜。
關(guān)鍵詞:硫酸銅 除鐵 攪拌機(jī) 工藝設(shè)計(jì) 浸出反應(yīng)釜
The process design of Cupric sulfate of 5,000 tons per year—the process design of the continuous rectifying tower
Abstracts:The cupric sulfate is one kind of very important inorganic industrialchemicals, is spinning dyes, aspect and so on galvanization, medicineall has the very big use. This article summarized the cupric sulfate production craft development survey, the use and the produce market analysis, Approximately introduced commonly methods of eliminate the iron in the industry of producing the cupric sulfate, mainly explored The process design of cupric sulfate of 5,000 tons per year. In the design uses contains the copper quantity is 20.02% copper-concentrated ore produces he cupric sulfate for the rawmaterial. This article mainly undertakes in the leaching working rocedure response cauldron technological design, results in the purity higher cupric sulfate saturated olution through the control condition, again obtains the product after the crystallization working procedure. Controls the temperature in the leaching working procedure in 90℃ above, uses the batch eration the side legal system to result in thecupric sulfate saturated solution. Through calculation of mass alance and energy balance, carry on the selection of equipment and calculation of process size of he bodies of leaching responds the cauldron, the leaching responds the cauldron that meets the request is designed.
Keywords: Cupric sulfate Eliminates the iron Mixer Technological design The leaching responds the cauldron
1 概 述
1.1 硫酸銅的性質(zhì)
硫酸銅（CuSO4·5H2O），俗稱膽礬或藍(lán)礬，英文名稱為Copper sulfate;bule vitriol;Roman vitriol，藍(lán)色三斜晶系晶體，密度為1.28×103kg/m3，分子量為249.68，易溶于水，其水溶液呈微酸性，也溶于稀乙醇，不溶于無水乙醇，液氨。當(dāng)加熱到45℃時開始失去一個結(jié)晶水，102℃時失去二個結(jié)晶水，加熱到113℃時失去四個結(jié)晶水，加熱到258℃時失去全部結(jié)晶水而成淺白色無水硫酸銅粉末。當(dāng)加熱到650℃時，即分解為氧化銅（黑色粉末）：
2CuSO4 ====2CuO+2SO2+O2
1.2 硫酸銅的用途及發(fā)展前景
硫酸銅是一種重要的化工產(chǎn)品，有廣泛的用途[1]。染料工業(yè)中用作生產(chǎn)含銅單偶氮染料，如活性艷藍(lán)，活性紫；醫(yī)藥工業(yè)直接或間接地用作收斂劑和生產(chǎn)異煙肼、乙胺嘧啶的輔助原料；涂料工業(yè)用于油酸銅作為船底防污漆的毒害劑；電鍍工業(yè)中用于硫酸鹽鍍銅和寬溫度全光亮酸性鍍銅離子添加劑；食品工業(yè)中用作抗微生物劑，營養(yǎng)增補(bǔ)劑；農(nóng)業(yè)上用作殺蟲劑及含銅農(nóng)藥；在地質(zhì)礦山工業(yè)中，用于選礦。
由于硫酸銅有著如此廣泛的用途，據(jù)分析，近年來硫酸銅在國內(nèi)市場一直比
較緊銷，價格也逐漸上漲。此外，隨著復(fù)微肥工業(yè)的發(fā)展，也需大量使用硫酸銅，
使硫酸銅供求矛盾更加突出。國內(nèi)目前雖然有許多家硫酸銅生產(chǎn)廠家，但由于我國是一個銅資源比較短缺的國家，生產(chǎn)受到限制，傳統(tǒng)上以有限銅資源為原料
生產(chǎn)硫酸銅的方法，其產(chǎn)品已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場日益增加的需求。人們正將注意
力轉(zhuǎn)向用銅礦來制取硫酸銅。
1.3 堿式碳酸銅
化學(xué)式為Cu2(OH)2CO3，又名孔雀石（主要成分是Cu2(OH)2CO3，非純凈物），英文名：Basic cupric carbonate，是一種名貴的礦物寶石，屬于堿式碳酸鹽，是鹽的一種。它是銅與空氣中的氧氣、二氧化碳和水等物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)，又稱銅銹(銅綠）。在空氣中加熱會分解為氧化銅、水和二氧化碳。銅綠（銅銹）也是堿式碳酸銅（主要成分是Cu2(OH)2CO3，非純凈物）。由溶液中所得沉淀物初顯綠色，放置后在溶液中變成暗綠色，它不溶于水，溶于酸。卻溶于氰化物、銨鹽和堿金屬碳酸鹽水溶液而形成銅的絡(luò)合物；深天藍(lán)色很亮的單斜系晶體，或緊密的結(jié)晶團(tuán)狀物。它不溶于水，溶于氨水和熱而濃的碳酸氫鈉溶液而成藍(lán)色。美觀的綠色粉末狀晶體，加熱至220℃時分解。不溶于水和乙醇，可溶于氨水生成二價銅的氨配合物。溶于酸形成相應(yīng)的銅鹽，溶于氰化物、氨水、銨鹽和堿金屬碳酸鹽的水溶液中，形成銅的配合物。在水中煮沸或在強(qiáng)堿溶液中加熱時則可生成褐色的氧化銅?？膳c硫化氫反應(yīng)生成硫化銅。在自然界中以孔雀石的形式存在。在空氣中長時間放置，則吸濕并放出二氧化碳，慢慢的變?yōu)榫G色的孔雀石。在自然界則以藍(lán)銅礦的形式存在。
1.4 硫酸銅的制備方法簡介
表1 常見的含銅礦物
礦 物 ? 分子式 成 分（ %）
Cu Fe S As Sb
1硫化礦
輝銅礦 Cu2S 79.9 20.1
銅 藍(lán) CuS 66.5 33.5
黃銅礦 CuFeS2或Cu2S·Fe2S3 34.6 30.5 34.9
斑銅礦 ?Cu3FeS3 或 3Cu2S · Fe2S3 55.6 16.3 25.1
斜方硫砷銅礦 ?Cu3AsS4 或 3Cu2S · As2S5 48.4 32.6 19.0
黝銅礦 Cu2SbS2 或 3Cu2S· Sb2S3 46.7 23.5 29.8
砷黝銅礦 Cu2AsS3或Cu2S ·As2S3 52.7 26.6 20.7
2.氧化礦
赤銅礦 Cu2O 88.8
黑銅礦 CuO 79.9
孔雀石 CuCO3· Cu(OH)2 ?57.5
石 青 ? 2CuCO3 ·Cu(OH)2 ?55.1
膽 礬 CuSO4· 5H2O ?25.5
水膽礬 ? CuSO4· 3Cu(OH)2 56.2
氯銅礦 CuCl2· 3Cu(OH)2 59.5
鈉銅礦 CuSO4·Na2SO4· 3Cu(OH)2 48.2
利用上述銅礦石生產(chǎn)硫酸銅，因其物相成分不同而采用不同的工藝條件。一般而言，上述礦石按其地質(zhì)形成、化學(xué)性質(zhì)及工藝性質(zhì)可分為四大類：A、自然銅；B、硫化銅礦（黃銅礦、砷黝銅礦、硫砷銅礦）；C、次生硫化銅礦（輝銅礦、斑銅礦、銅藍(lán)、黝銅礦）；D、氧化銅礦（孔雀石）。A類礦石為稀酸難溶銅；B、C類礦石為稀酸不溶銅；D類礦石為稀酸易溶銅。利用B、C兩類礦石制硫酸銅，一般是采取硫酸化或氧化焙燒，將不溶銅轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄粤蛩徙~和稀酸易溶的氧化銅﹝2、3﹞。而對D類礦石則用酸浸，鐵粉置換制取粗銅，然后入爐氧化焙燒轉(zhuǎn)變成氧化銅，制成氧化銅后再酸浸除雜，蒸發(fā)、結(jié)晶得硫酸銅﹝4、5﹞。還有一些方法是在上述方法的基礎(chǔ)上經(jīng)過改良的催化氧化溶解法﹝6、7、8、9﹞。
1.4.1 利用氧化銅礦制硫酸銅
氧化銅礦是游離和結(jié)合氧化銅礦的總稱[2]。前者易浸出，是濕法冶銅制硫酸銅的主要原料。后者則是在目前的技術(shù)條件下進(jìn)行濕法冶銅制硫酸銅，但是很不經(jīng)濟(jì)。因此，在用氧化銅礦制硫酸銅時，查明銅的賦存狀態(tài)及伴生的脈石礦物很重要。根據(jù)氧化銅礦的物相類別，制硫酸銅的方法可歸納為兩大類。
1.4.2 酸浸出法
酸法浸出是礦物原料化學(xué)處理中最常用的方法之一。稀硫酸是銅礦原料中最重要的浸出試劑，浸出時，銅按下列反應(yīng)進(jìn)入浸出液中：
孔雀石：CuCO3Cu(OH)2+2H2SO4 = 2CuSO4+CO2+3H2O
藍(lán)銅礦：2CuCO3Cu(OH)2+3H2SO4 = 3CuSO4+2CO2+4H2O
黑銅礦：CuO+H2SO4 = CuSO4+H2O
赤銅礦：Cu2O+H2SO4 = CuSO4+H2O+Cu
Cu2O+H2SO4 +O2=CuSO4+2H2O
硅孔雀石：CuSiO3·2H2O+H2SO4 = CuSO4+SiO2+3H2O
但在浸取過程中，礦石中的鐵、鈣、鎂等亦同時進(jìn)入浸出液，為獲得合格產(chǎn)品，必須從浸液中除去鐵等雜質(zhì)，根據(jù)除雜方法的不同，酸浸法又分為：
（1）海綿銅法
這種方法是以鐵屑置換出液中的銅為海綿銅，凈化后進(jìn)行高溫氧化焙燒，焙燒再經(jīng)酸溶、除雜轉(zhuǎn)化為硫酸銅溶液，最后蒸發(fā)濃縮、冷卻制得硫酸銅晶體。該工藝成熟，但要制得高純度的產(chǎn)品，需經(jīng)較復(fù)雜的凈化除雜工序，這不僅使流程復(fù)雜，同時也影響銅總回收率。此外，置換用鐵量大，兩次酸浸增加了酸耗；焙燒、蒸發(fā)濃縮能耗高，焙燒放出尾氣；置換后濾液中含多種金屬離子，污染環(huán)境，須凈化后才能排放，這都會使成本增加。
（2） 氧化除鐵法
這種方法是直接將浸出液氧化除鐵，濾液蒸發(fā)烘干，再重結(jié)晶除雜。該法工藝復(fù)雜冗長，蒸發(fā)能耗高，產(chǎn)生大量酸霧，污染環(huán)境，操作過程惡劣，且該法不適于含Mg、Ca、Fe高的氧化銅礦[3]。
（3） 堿式硫酸銅法
這種方法主要針對含鎂、鈣高的氧化銅礦，浸出液經(jīng)過氧化除鐵后，再添加一種添加劑使銅水解成以堿式硫酸銅沉淀形式與鈣鎂雜質(zhì)分離，富集的銅經(jīng)酸溶、蒸發(fā)、冷析得到硫酸銅。該工藝簡短，廢水可回收，有利于環(huán)境保護(hù)。
1.4.3 酸浸直接法
該方法是用氧化銅礦細(xì)粉與硫酸作用直接生產(chǎn)硫酸銅。浸出液氧化除鐵后蒸干，渣再磨細(xì)、水浸、過濾，濾液蒸發(fā)濃縮、冷折制得產(chǎn)品，產(chǎn)品純度可達(dá)96%以上。此法工藝路線短，生產(chǎn)工藝易于控制，可連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)；耗酸少，但蒸發(fā)浸出液耗能極高，且產(chǎn)生大量酸霧，環(huán)境污染十分嚴(yán)重，加之浸出液中往往含有多種雜質(zhì)，必須強(qiáng)化除雜才能得到合格產(chǎn)品。
1.4.4 酸浸轉(zhuǎn)化法
浸出液分離鐵鋁后，用石灰乳將銅沉淀為堿式碳酸銅與鎂等雜質(zhì)分離。然后用濃硫酸溶解堿式碳酸銅沉淀為高濃度富銅液，經(jīng)少量蒸發(fā)、分析即得產(chǎn)品。此法與前面兩種方法相比具有不少優(yōu)點(diǎn)：用廉價的石灰乳水解沉淀銅離子，比用鐵屑置換不僅可降低成本，而且排出水為中性，減少了環(huán)境污染，可回收利用；用硫酸銅溶解沉淀銅可大大提高濃縮比，降低蒸發(fā)所需能耗。但該法耗酸量大，兩段過濾使流程復(fù)雜，不利于自動化和大規(guī)模生產(chǎn)。
1.4.5 氨浸出法
氨水是金屬銅的有效浸出劑，對自然銅含量較高的氧化銅礦采用氨浸出法生產(chǎn)硫酸銅是合適的。其浸出機(jī)理屬于金屬電化腐蝕過程。屬于銅與氨形成穩(wěn)定的可溶絡(luò)合物，擴(kuò)大了銅離子在溶液中的穩(wěn)定區(qū)，降低了銅的還原電位，使其較易轉(zhuǎn)入浸出液中[4]：
銅表面氧陰極還原：O2+H2O+2e=2OH-
在氨參與下，銅陽極氧化溶解：Cu+4NH3=[Cu(NH3)4]2++2e
銅氨絡(luò)離子被銅還原為亞銅氨絡(luò)合物：Cu(NH3)4]2++Cu=2Cu(NH3)2]+
2Cu(NH3)2]++4NH3+O2+H2O=[Cu(NH3)4]2++2OH-
銅氨絡(luò)離子經(jīng)加熱分解得到氧化銅（回收氨），再經(jīng)酸溶劑制取硫酸銅。
這種方法是將氨浸礦石所得之浸出液加熱分解為氧化銅，再經(jīng)酸溶制取硫酸銅。此法除雜容易，雜質(zhì)去除率高，但需蒸氨回收系統(tǒng)，投資大，蒸氨耗能高且難免造成對環(huán)境的污染。
1.4.6 溶銅沉鐵酸浸-化學(xué)濃縮法
溶銅沉鐵酸浸-化學(xué)濃縮法（簡稱AD-CEC法）為武漢化工學(xué)院研究開發(fā)，目的是解決混合銅礦的綜合利用。該工藝在用稀硫酸浸出過程中添加溶銅沉鐵劑，一步獲得合格的硫酸銅溶液，浸出液加入添加劑可進(jìn)行化學(xué)濃縮，稍加蒸發(fā)，自然冷卻即可獲得硫酸銅產(chǎn)品。此法在浸出時添加溶銅沉鐵劑，銅的提取率高，除去了鐵等雜質(zhì)，浸出液純度高，浸出凈化一步完成，簡化了工藝，操作容易；浸出液采用化學(xué)濃縮無需大量蒸發(fā)，能耗低；排放廢水為中性，可循環(huán)利用。與前幾種方發(fā)相比，溶銅沉鐵酸浸-化學(xué)濃縮法具有工藝簡單、操作方便、節(jié)省能源、有利于環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因而更具實(shí)用性。但此法只能浸出礦中的氧化態(tài)銅，對混合銅礦還需采用浮選等方法回收硫酸態(tài)銅，對于以混合銅礦為原料生產(chǎn)硫酸銅的小廠，由于投資較大，產(chǎn)品分散，因而不宜采用。
1.4.7 酸浸-萃取法
此法僅適用于處理氧化銅礦石。礦石經(jīng)稀硫酸浸取，浸出液中的銅以Lix984N萃取進(jìn)入有機(jī)相，繼而以高濃度的硫酸溶液在50～55℃下反萃取獲得富銅液，富銅液冷卻即得含CuSO4·5H2O～96%的粗品（含酸3.0～3.2%）。粗品加溫再溶并加調(diào)整劑中和游離酸即可獲得CuSO4·5H2O～98.8%的優(yōu)質(zhì)硫酸銅產(chǎn)品。此法大大簡化了工藝，產(chǎn)品純度高，可處理品位較低的氧化銅礦，萃取劑可再生，硫酸也可部分再生，加熱耗能低，無污染。
1.5 硫酸銅的包裝貯運(yùn)
硫酸銅的內(nèi)包裝可用塑料袋，防潮紙，外包裝可用麻袋、編織袋或木箱。
貯存時嚴(yán)防潮濕和日曬，不得與食物、種子、飼料及其它雜物混放，堆放時每碼不得超過十袋（包）。
運(yùn)輸時要防雨、防曬，并要小心輕放，以免散包。
表 2 硫酸銅質(zhì)量指標(biāo)
指 標(biāo) 名 稱
一 級 品 二 級 品
硫酸銅（CuSO4·5H2O）含量％≧ 96.0 93.0
水 不 溶 物 含 量％ ≦ 0.2 0.4
游 離 硫 酸 含 量％ ≦ 0.1 0.2
外觀：藍(lán)色或藍(lán)綠色晶體（若呈現(xiàn)為綠白色粉末，仍有效 ），沒有可見雜質(zhì)。
2除鐵法
2.1 黃銨鐵礬法除鐵
黃銨鐵礬法是堿式鹽沉淀除鐵法的典型例子，在實(shí)際沉淀過程中，可能產(chǎn)生氫氧化物沉淀，也可能產(chǎn)生堿式鹽沉淀，具體決定于溶液pH的相對大??；而溫度的高低對沉淀速率的快慢起著重要的作用[5]。
通過試驗(yàn)的方法可以看出隨著溫度升高，除鐵率在逐漸增加，當(dāng)大于80℃后，除鐵率增加明顯，溫度達(dá)到95℃時，除鐵率可以達(dá)到91.2%；當(dāng)溫度超過95℃，除鐵率總體呈增加趨勢，但增加緩慢。由此看出，黃銨鐵礬的生成與溫度的高低有直接關(guān)系，溫度越高，除鐵效果越好。綜合考慮能耗，得出95℃是黃銨鐵礬法除鐵的最佳溫度。
通過試驗(yàn)的方法可以看出，溶液的pH值對除鐵率影響很大，pH值在1.2～1.8范圍內(nèi)，除鐵效果較好；當(dāng)pH值為1.6時，除鐵效果最高，可以達(dá)到91.2%；當(dāng)pH值<1.6時，除鐵率逐步有所降低，這是由于過量的酸消耗了部分反應(yīng)物氨水的結(jié)果；當(dāng)pH值>1.8時，除鐵率則顯著下降。
綜上所述，考慮各方面因素，確定黃銨鐵礬法除鐵工藝的最佳條件是pH值為1.6﹑反應(yīng)溫度為95℃，除鐵率可以達(dá)到91.2%。本法中在除鐵的同時，將NH4+﹑Ca2+等雜質(zhì)帶入硫酸銅溶液，在結(jié)晶過程中會吸附或夾帶在硫酸銅晶體中，工業(yè)中通常分別采用高溫蒸氨以及分段結(jié)晶方式除去NH4+﹑Ca2+。
2.2 氫氧化鐵沉淀除鐵法
氫氧化鐵沉淀除鐵法是目前濕法冶金工業(yè)中普遍采用的沉淀除鐵法之一，該方法是利用不同金屬氫氧化物溶度積的不同，通過控制pH值來控制金屬離子沉淀的先后順序進(jìn)行除鐵。
通過試驗(yàn)的方法可以看出，除鐵率隨著pH值的升高而顯著增加，pH值在3.6～4.0之間，除鐵率大于90%，結(jié)晶得到的產(chǎn)品鐵含量能達(dá)到飼料級硫酸銅的國家標(biāo)準(zhǔn)。采用NaOH進(jìn)行中和除鐵，pH值為3.8時，除鐵率最高可以達(dá)到98.1%，采用石灰乳調(diào)節(jié)pH值為4.0時，除鐵率最高為97.7%。采用NaOH與石灰乳調(diào)節(jié)pH值，在相同pH值的條件下，用NaOH中和除鐵效果總體上比石灰乳中和除鐵效果好。
通過試驗(yàn)的方法可以看出，隨著溫度的升高，兩種中和劑的除鐵率都不斷提高，這是因?yàn)闊o論從反應(yīng)速率還是化學(xué)平衡的角度，高溫對Fe3+水解沉淀有利。當(dāng)反應(yīng)溫度為70℃﹑pH值為3.8時，采用NaOH調(diào)節(jié)溶液pH除鐵率最高，可以達(dá)到98.1%。NaOH除鐵效果比石灰乳顯著，但由于其價格相對較高，常用于試驗(yàn)研究，在工業(yè)上普遍采用石灰乳中和除鐵。
2.3 一步結(jié)晶除鐵法
結(jié)晶是一個分離和提純的過程，能從雜質(zhì)含量相當(dāng)高的溶液或多組分熔融混合物中，分離出高純或超純的晶體，因而考慮利用結(jié)晶的方式將硫酸銅反萃液中的硫酸銅結(jié)晶分離出來，從而達(dá)到除鐵的目的。
通過試驗(yàn)的方法可以看出，溶液在60℃時除鐵率最高，可以達(dá)到98.5%，產(chǎn)品的純度相對較高。隨著溫度的升高，硫酸銅溶解度的增大，結(jié)晶產(chǎn)物的質(zhì)量減少，除鐵率下降。因此，60℃是最佳的結(jié)晶溫度。
通過試驗(yàn)的方法可以看出，結(jié)晶時間越長，得到硫酸銅晶體越多，但結(jié)晶時間超過6h后，硫酸銅晶體的增加量逐漸放慢；隨著時間增加，結(jié)晶產(chǎn)品的銅/鐵比值呈上升趨勢，當(dāng)結(jié)晶時間為6h時，銅/鐵的質(zhì)量比最大，達(dá)到206；超過6h，晶體中的含鐵量變化不明顯，銅/鐵的質(zhì)量比增加量較小。因此，綜合考慮成本等因素，確定6h為最佳結(jié)晶時間，結(jié)晶產(chǎn)物的含鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.106%，符合飼料級硫酸銅的國家標(biāo)準(zhǔn)[6]。本法的最佳工藝條件為60℃時結(jié)晶6h，除鐵率可以達(dá)到98.5%，相對于前面的兩種方法，不僅除鐵率高，且無須添加其他化學(xué)物質(zhì)，工藝簡單，操作方便，成本低。
3 設(shè)備及工藝介紹
3.1 顎式破碎機(jī)
簡擺顎式破碎機(jī)工作原理[7]：動顎懸掛在心軸上，可作左右擺動，偏心軸旋轉(zhuǎn)時，連桿做上下往復(fù)運(yùn)動。帶動兩塊推力板也做往復(fù)運(yùn)動，從而推動動顎做左右往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)破碎和卸料。此種破碎機(jī)采用曲柄雙連桿機(jī)構(gòu)，雖然動顎上受有很大的破碎反力，而其偏心軸和連桿卻受力不大，所以工業(yè)上多制成大型機(jī)和中型機(jī)，用來破碎堅(jiān)硬的物料。此外，這種破碎機(jī)工作時，動顎上每點(diǎn)的運(yùn)動軌跡都是以心軸為中心的圓弧，圓弧半徑等于該點(diǎn)至軸心的距離，上端圓弧小，下端圓弧大，破碎效率較低，其破碎比i一般為3-6.由于運(yùn)動軌跡簡單，故稱簡單擺動顎式破碎機(jī)。簡擺顎式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊簡單，偏心軸等傳動件受力較小；由于動顎垂直位移較小，加工時物料較少有過度破碎的現(xiàn)象，動顎顎板的磨損較小。
工作特點(diǎn)：顎式破碎機(jī)在礦山，建材和基建部門主要用作粗碎機(jī)和中碎機(jī)。按照給料口寬度大小，分為大，中，小型三種，給料口寬度大于600mm的為大型機(jī)，給料口寬度在300-600mm的為中型機(jī)，給料口寬度小于300mm的為小型機(jī)。顎式破碎機(jī)的工作部分是兩塊顎板，一是固定顎板（定顎），垂直（或上端略外傾）固定在機(jī)體前壁上，另一是活動顎板（動顎），位置傾斜，與固定顎板形成上大下小的破碎腔(工作腔)。活動顎板對著固定顎板做周期性的往復(fù)運(yùn)動，時而分開，時而靠近。分開時，物料進(jìn)入破碎腔，成品從下部卸出；靠近時，使裝在兩塊顎板之間的物料受到擠壓，彎折和劈裂作用而破碎。
3.2 雷蒙磨
工作原理：雷蒙磨將大塊狀原材料破碎到所需的進(jìn)料粒度后，由畚斗提升機(jī)將物料輸送到儲料倉，然后由電磁振動給料機(jī)均勻地送到主機(jī)的磨腔內(nèi)，進(jìn)入到磨腔的物料在磨輥與磨環(huán)之間研磨，粉磨后的粉子由風(fēng)機(jī)氣流帶到分析機(jī)分級，達(dá)到細(xì)度要求的細(xì)粉隨氣流經(jīng)管道進(jìn)入大旋風(fēng)收集器內(nèi)，進(jìn)行分離收集，再經(jīng)卸料器排出即為成品。主機(jī)工作過程中，鏟刀系統(tǒng)起到了非常重要的作用。其位于磨輥下端，鏟刀與磨輥同轉(zhuǎn)過程中把物料鏟起拋喂入磨輥輥環(huán)之間，形成墊料層，該料層受磨輥旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生向外的擠壓力將物料碾碎，由此達(dá)到制粉目的。操作流程：雷蒙磨開動前，應(yīng)檢查所有檢修門關(guān)閉是否嚴(yán)密，檢查破碎機(jī)的腭板間隙是否符合進(jìn)料粒度尺寸，調(diào)整分析機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)達(dá)近似成品粒度要求。最后按順序開機(jī)。1、開動畚斗提升機(jī)；2、開動鄂式破碎機(jī)；3、待料倉存有物料后，啟動分析機(jī)；4、啟動鼓風(fēng)機(jī)（空負(fù)荷啟動，待正常運(yùn)行后再加載）；5、啟動雷蒙磨主機(jī)，在啟動主機(jī)瞬間隨即啟動電磁振動給料機(jī)。此時雷蒙磨粉磨工作即為開始。雷蒙磨操作順序簡易如下：啟動：提升機(jī)→破碎機(jī)→分析機(jī)→風(fēng)機(jī)→主機(jī)→給料機(jī)。雷蒙磨停機(jī)時應(yīng)按下列順序關(guān)閉各機(jī)：（1）先關(guān)閉給料機(jī)停止給料；（2）約一分鐘后停止主機(jī)；（3）吹凈殘留的粉子后停止鼓風(fēng)機(jī)；（4）最后關(guān)閉分析機(jī)。雷蒙磨停機(jī)順序是：給料機(jī)→主機(jī)→鼓風(fēng)機(jī)→分析機(jī)。注：提升機(jī)輸運(yùn)物料至料倉一定量后，先停止破碎機(jī)而后再停止提升，此項(xiàng)應(yīng)由儲料量現(xiàn)時變動。（5）雷蒙磨在正常工作時不準(zhǔn)隨意加油，要確保生產(chǎn)安全，磨粉機(jī)在任何部分發(fā)生不正常噪音，或負(fù)荷突然增大應(yīng)立即停機(jī)檢查，排除故障，以免發(fā)生重大事故。再繼續(xù)開機(jī)時必須將磨機(jī)內(nèi)余料取出，否則開機(jī)時電流過大，影響啟動。
3.3 工藝流程圖
H2SO4
溶銅沉鐵劑
反 應(yīng) 釜
浸 出
雷蒙磨 磨 礦
破 碎 機(jī)
破 碎
堿式碳酸銅
精 礦
過
濾
蒸發(fā)
濃縮
過
濾
蒸
發(fā)
結(jié)晶硫酸銅產(chǎn)品
H2SO4
4 工藝計(jì)算
4.1 物料衡算
按照工藝要求，以堿式碳酸銅礦為原料來生產(chǎn)硫酸銅，根據(jù)銅礦的化學(xué)成分表3可以看出，堿式碳酸銅礦的含銅量為20.02%，又浸出率按99%計(jì)，結(jié)晶率按99%計(jì)。
4.1.1 每天所需生產(chǎn)硫酸銅的質(zhì)量
硫酸銅5000噸，年生產(chǎn)日按300天計(jì)算，日生產(chǎn)時間按24h計(jì)，則每天生產(chǎn)硫酸銅的質(zhì)量為
考慮到產(chǎn)品損失，為了方便計(jì)算則每天生產(chǎn)量按16700Kg 計(jì)，考慮到結(jié)晶和浸出時的損失，則實(shí)際每天從浸出釜中生產(chǎn)出硫酸銅的質(zhì)量為：
99%99%=
表3 銅礦的化學(xué)成分
成分 Cu Fe Pb Zn SiO2 CaO Al2O3 MgO
百分含量 20.02 8.05 0.03 0.35 30.50 4.21 6.46 1.02
4.1.2 每天所需處理的堿式碳酸銅礦中含Cu2(OH)2CO3的質(zhì)量
又已知CuSO4與Cu2(OH)2CO3的摩爾比為1:2，根據(jù)Cu原子守恒關(guān)系式：
Cu2(OH)2CO3～ CuSO4 ～CuSO4·5H2O
222 160 250
為了計(jì)算上的方便，可以先把堿式碳酸銅礦中的含Cu物質(zhì)全部看作是Cu2(OH)2CO3。根據(jù)Cu守恒得：
_____的質(zhì)量
解得, 取整得
4.1.3 每天所需處理的各種有效成分的質(zhì)量
4.1.4 每天所需處理的堿式碳酸銅礦的總質(zhì)量為
4.1.5 每天需要的硫酸量
222 320 196
每天需要98%硫酸量為
由于硫酸過量15% ，故每天需要98%硫酸量為
故一年所需98%的硫酸總量為
5 浸出反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.1 計(jì)算完全反應(yīng)后反應(yīng)釜中CuSO4溶液的質(zhì)量
根據(jù)工藝條件和工藝要求，可選用的鑄鐵搪瓷釜，故反應(yīng)釜的實(shí)際操作體積為：
=
— 操作體積，
η — 裝料系數(shù)，
— 反應(yīng)釜的總體體積。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在反應(yīng)完全的懸浮液當(dāng)中，其中未反應(yīng)的銅礦渣占操作體積的15%，溶液占的體積為85%，而且此時的溶液剛好為硫酸銅飽和溶液。
表4 CuSO4·5H2O 在不同溫度下的溶解度值
溫度 ℃ 20 30 40 60 80 90
溶解度g/100g水 20.7 25.00 28.50 40.0 55.0 64.2
根據(jù)實(shí)際操作，取40℃的溶解度為完全反應(yīng)后的飽和硫酸銅溶液的溶解度，即為28.50g/100g水。此種溶液含硫酸銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約為：
查得硫酸銅溶液的密度為1.28Kg/L=1.28×103Kg/m3,硫酸銅溶液的體積為：
則硫酸銅溶液的質(zhì)量為：
5.2 反應(yīng)釜的個數(shù)
5.3 每次每釜處理CuSO4溶液的質(zhì)量
根據(jù)以上物料衡算，知完全反應(yīng)后硫酸銅溶液的質(zhì)量為1523.2Kg,又溶解度為28.5g/100g水，則CuSO4．5H2O的質(zhì)量為：
所以CuSO4．5H2O的質(zhì)量為：
5.4 工藝流程中所需反應(yīng)釜的個數(shù)
每天按24h計(jì)，每批的操作時間為4h（其中包括反應(yīng)時間3h和加、放料等輔助時間1h）計(jì)，則每天可處理6批，則需要的反應(yīng)釜個數(shù)為：
取整即所需的反應(yīng)釜個數(shù)為6個，所以用該礦生產(chǎn)年產(chǎn)5000噸的硫酸銅的工藝過程中需要6個浸出釜。
6 反應(yīng)釜釜體設(shè)計(jì)
表4 幾種反應(yīng)釜的H / Di值
種類
釜體物料類型
H / Di值
一般反應(yīng)釜
液-固相或液-液相物料
1~1.3
氣-液相物料
1~2
發(fā)酵罐類
1.7~2.5
聚合釜
懸浮液、乳化液
2.08~3.85
6.1 確定筒體和封頭型式
從要求的工作壓力和溫度以及該設(shè)備之工藝性質(zhì)，可以看出它屬于帶攪拌的低壓反應(yīng)釜類型，一類低壓容器[8]。根據(jù)慣例，選擇圓柱形筒體和橢圓形封頭。
6.2 確定筒體和封頭直徑
反應(yīng)物料為液—固相類型，從表4，H / Di為1~1.3。設(shè)備容器要求為2.0m3，考慮到容器不大，可取H / Di=1，這樣可以使直徑不致太小。從工藝上了解到反應(yīng)時有少量泡沫，故取裝料系數(shù)η=0.7。
反應(yīng)釜直徑估算如下：
圓整至公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)系列，取D=1300mm。封頭取相同的內(nèi)徑。
6.3 確定夾套直徑
當(dāng)DN=300mm，查得標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的容積Vh=0.321m3,查得筒體每一米高的容積V1=1.327m3/m,則筒體高度估算為
取H為1.3m，于是H/Di=1300/1300=1。
查得：。夾套封頭也采用橢圓形，并與夾套筒體取相同直徑。
6.4 確定夾套高度
夾套筒體的高度估算如下：
取Hi為1000mm。
7 反應(yīng)釜攪拌器的型式
攪拌器的型式很多，它的形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)與被攪拌液體的性質(zhì)和要求實(shí)現(xiàn)的流型有關(guān)，因而應(yīng)根據(jù)工藝要求來選用。常用的攪拌器有以下幾種[9]。
7.1 槳式槳葉攪拌器
槳式攪拌器在結(jié)構(gòu)上最為簡單，其槳葉是用扁鋼制造，當(dāng)攪拌物料對鋼材有顯著腐蝕時，槳葉可用合金鋼或有色金屬做，也可采用鋼制外包橡膠或環(huán)氧樹脂、酚醛玻璃布等。槳葉形式可分為平直葉和折葉兩種。
7.2 框式和錨式攪拌器
框式攪拌器是由槳式演變而成，兩層水平槳葉用鉛垂槳葉聯(lián)成剛性框架，其結(jié)構(gòu)比較堅(jiān)固[10]。當(dāng)這類攪拌器底部形狀和釜體下封頭的形狀相似時，就成為錨式攪拌器。為了增大對高粘度物料的攪拌范圍以及提高槳葉的剛性，還常常要在框式、錨式攪拌器上加一些立葉和橫梁，這樣使得框式、錨式攪拌器的結(jié)構(gòu)形狀更多。
7.3 推進(jìn)式攪拌器
推進(jìn)式也稱旋槳式，這種攪拌器常為整體鑄造。采用焊接時，需模鍛后再與軸套焊接，加工較困難。制造時應(yīng)做靜平衡試驗(yàn)。攪拌器可用軸套、平鍵和緊定螺釘與軸連接。推進(jìn)式攪拌器材料常用鑄鐵、鑄鋼。
7.4 渦輪式攪拌器
渦輪式攪拌器與槳式槳葉攪拌器相比，只是槳葉數(shù)量多、種類多，槳的轉(zhuǎn)速高，可使流體均勻地由垂直方向運(yùn)動改變成水平方向運(yùn)動，自渦輪流出的高速液流沿圓周運(yùn)動的切線方向散開，從而在整個液體體積內(nèi)得到激烈攪動。這種攪拌器廣泛用于高速溶解和進(jìn)行乳化操作。渦輪式攪拌器形式很多，有開啟式和圓盤式。槳葉又分為平直葉、彎月、和折葉。
7.5 攪拌器的選型
考慮工藝條件和要求，在本次設(shè)計(jì)中采用框式攪拌器，轉(zhuǎn)速在60r/min。
8. 設(shè)計(jì)結(jié)果
（1）考慮到總的經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)計(jì)效果，本次設(shè)計(jì)采用的方法為酸浸法。
（2）每天所需處理的堿式碳酸銅礦的總質(zhì)量為21594Kg/d。
（3）每天所需的硫酸總量為7837Kg/d。
（4）該工藝流程中所需反應(yīng)釜的個數(shù)為6個。
（5）反應(yīng)釜直徑取D=1300mm,封頭取相同的內(nèi)徑D=1300mm。
（6）夾套筒體直徑取D=1400mm,夾套筒體高度取H=1000mm。
結(jié)束語
經(jīng)過近兩個月的學(xué)習(xí)和工作，我終于完成了《年產(chǎn)五千噸硫酸銅的工藝設(shè)計(jì)——浸出反應(yīng)釜的工藝設(shè)計(jì)》的論文。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐中，我學(xué)到了很多知識，也感受頗多，同時積累了不少寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)中，我在本次畢業(yè)課題中承擔(dān)的任務(wù)是浸出反應(yīng)釜工藝設(shè)計(jì)。
雖然我的論文作品已經(jīng)完成，但還不是很成熟，還有很多不足之處：
（1）由于數(shù)據(jù)不全面，物料衡算跟實(shí)際情況有一定的誤差。
（2）由于設(shè)計(jì)者知識水平、能力、資料有限而不能做實(shí)驗(yàn)測定，在一些數(shù)據(jù)處理上不夠完善與準(zhǔn)確，僅參考相關(guān)資料，因此文章僅供參考。
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致 謝
論文終于脫稿復(fù)印了，此刻的我思緒萬千，心情久久不能平靜?；貞浳以谕瓿僧厴I(yè)設(shè)計(jì)的這段時間，最令我感激的就是我的指導(dǎo)老師張孟民老師，張老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識淵博，平易近人，在做設(shè)計(jì)期間不僅傳授了我做學(xué)問的方法，還告訴了我許多為人處世方面的經(jīng)驗(yàn)。無論是在理論學(xué)習(xí)階段，還是在論文的選題、資料查詢、開題和撰寫的每一個環(huán)節(jié)，無不得到張老師的悉心指導(dǎo)和幫助。我愿借此機(jī)會向張老師表達(dá)我衷心的感謝！
回顧四年學(xué)習(xí)期間的一千多個日日夜夜，我始終勤勤懇懇，靜心學(xué)習(xí)，虛心接受，取長補(bǔ)短，因此取得了滿意的成績。欣慰之余，我要向關(guān)心和支持我的所有老師、同學(xué)和朋友們表示真摯的謝意！感謝他們對我的關(guān)心、關(guān)注和支持！
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